Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Khoa công nghệ hoá học
Bộ môn hữu cơ - hoá dầu
đồ án tốt nghiệp
Đề tài:
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
Giáo viên hớng dẫn : PGS. TS. Nguyễn thị minh hiền
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Anh tuấn
Lớp : 02V - 01 - HOá dầu
Hà Nội - 2005
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt
trong đồ án
U
m
: Vận tốc khối lợng khí
C : Hằng số.
D
h
: Đờng kính trung bình hạt chất hấp phụ.
h
: Khối lợng riêng trung bình của = Al
2
O
3.
K
: Khối lợng riêng của khí ở điều kiện làm việc.
g : Gia tốc rơi tự do.
g
: Khối lợng riêng của khí.
: Thời gian của chu kỳ.
q : Tải trọng riêng.
l
vh
: Chiều dài vùng hấp phụ.
a
d
: Dung lợng ẩm cân bằng động.
l
1
: Chiều cao cần thiết của lớp hấp phụ động.
P : Tổn thất khi khí chuyển động qua lớp hạt chất hấp phụ.
f : Hệ số ma sát.
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
2
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
d
p
: Đờng kính tơng đơng của hạt.
: Độ rỗng của hạt.
: Độ ẩm bão hoa của khí.
R
e
: Chuẩn số Reynolds .
à : Độ nhớt của cấu tử.
G
1
: Khối lợng chất hấp phụ.
T
2
: Nhiệt độ sôi của nớc.
C
1
: Nhiệt dung riêng của nớc.
2
H O
q
: Nhiệt bay hơi nớc.
Q
4
: Nhiệt cần để bay hơi nớc
Q
5
: Nhiệt cần để bay hơi các hydrocacbon đợc hấp phụ trong quá trình
hấp phụ.
Q : Tổng nhiệt lợng cần cung cấp cho quá trình tái sinh.
Q
m
: Lợng nhiệt mất mát ra môi trờng.
r 2
(Q )H O
: Lợng nhiệt riêng cần để giải hấp một đơn vị khối lợng nớc hấp phụ.
G
K
: Khối lợng khí đem tái sinh.
C
k
: Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp khí.
, H
2
S và các hợp chất hữu cơ chứa S
nên trớc khi đa vào chế biến khí cần phải qua công đoạn chuẩn bị mà trong
đó qúa trình tách hơi nớc là rất quan trọng.
Do hơi nớc trong khí tự nhiên và khí đồng hành có thể bị ngng tụ trong
các hệ thống công nghệ xử lý khí sau này, kết quả sẽ tạo các điều kiện hình
thành các hydrat (các chất tinh thể rắn) dễ đóng cục chiếm các khoảng không
trong các ống dẫn hay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình thờng đối
với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí. Ngoài ra sự có mặt
của hơi nớc và các hợp chất chứa lu huỳnh sẽ làm tiền đề thúc đẩy sự ăn mòn
kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian sử dụng của các thiết bị, công trình
vậy nên nghiên cứu về công nghệ sấy khí nhằm làm giảm hơi nớc đồng thời
ngăn ngừa sự tạo thành hydrat trong khí tự nhiên và khí đồng hành là rất cần
thiết.
Trong công nghiệp có rất nhiều phơng pháp đợc dùng để hạ nhiệt độ
điểm sơng và sấy khô khí tự nhiên cũng nh khí đồng hành. Với đề tài Tính
toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm em lựa chọn phơng pháp
sấy hấp phụ với chất hấp phụ là - Al
2
O
3
vì -Al
2
O
3
có cấu trúc xốp, bề mặt
riêng lớn, có các tâm axit, dễ tạo viên, độ bền cơ, bền nhiệt, chịu đợc nớc.
Với yêu cầu là sấy khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ thì phơng pháp
này có thể đạt đợc điểm sơng thấp, điểm sơng của khí sau khi sấy bằng -
7
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
Chơng I: Cơ sở hoá lí của công nghệ sấy khí
I.1. Thành phần, đặc tính của khí tự nhiên và khí đồng hành.
Khí tự nhiên và khí đồng hành bao gồm các hợp chất hydrocacbon và
phi hydrocacbon. Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là
các hydrocacbon no, đó là các parafin thuộc dãy đồng đẳng của metan.
Khí tự nhiên đợc khai thác từ các mỏ khí riêng biệt, trong khí này
thành phần chủ yếu là khí metan (CH
4
) có thể chiếm 85 ữ 99%. Còn lại là các
khí khác nh etan ( C
2
H
6
), propan (C
3
H
8
) và rất ít butan (C
4
H
10
), cá biệt có thể
có mỏ chứa CO
2
tới 60%
Khí đồng hành là khí nằm lẫn trong dầu mỏ, đợc hình thành cùng với
dầu, ta nhận đợc khi khai thác và chế biến dầu mỏ. Thành phần chủ yếu của
khí đồng hành là khí metan có thể chiếm từ 73 ữ 77%, còn lại là các khí
5,98 3,38 8,25 2,4 1,2
C
4
H
10
1,04 1,34 0,78 0,6 1,0
C
5
H
12
0,32 0,48 0,50 1,4 0,8
N
2
0,50 4,05 - 0,3 3,3
CO
2
1,00 - - 1,9 3,0
H
2
S - - - 10,0 -
I.2. Các tính chất của khí tự nhiên và khí đồng hành.
I.2.1. Phơng trình trạng thái của các hydrocacbon.
Các tính chất vật lí của khí tự nhiên và khí đồng hành phụ thuộc vào
các thông số của hỗn hợp và thành phần hoá học của nó.
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
8
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
Để xác định tính chất nhiệt động của các chất và hỗn hợp của chúng
cũng nh entanpi, entropi, tỷ trọng, fugat; ngời ta sử dụng phơng trình trạng
thái xác định quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và thể tích của hệ.
i
/P (I.2)
Trong đó:
P
i
- áp suất hơi bão hoà của cấu tử i ở nhiệt độ T của hệ.
P - áp suất chung toàn hệ ở nhiệt độ T.
Với hệ khí thực, K đợc xác định bằng phơng pháp giải tích và phơng
pháp giản đồ.
Tuy nhiên, điều kiện cân bằng pha cơ bản của hệ là nhiệt độ, áp suất và
thế hoá học của mỗi cấu tử phải bằng nhau ở pha khí và pha lỏng.
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
9
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
I.3. Tính chất của hệ hydrocacbon và nớc.
I.3.1. Hàm ẩm của khí.
Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ các mỏ dới lòng đất luôn
bão hoà hơi nớc. Hàm lợng hơi nớc có trong hỗn hợp khí phụ thuộc vào áp
suất, nhiệt độ và thành phần khí. Tại mỗi giá trị áp suất và nhiệt độ có thể xác
định đợc hàm lợng ẩm tối đa của khí. Hàm lợng ẩm cân bằng hay còn gọi là
độ ẩm cân bằng.
Khi biểu diễn hàm lợng hơi nớc có trong khí, ngời ta sử dụng hai khái
niệm: độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tơng đối. Độ ẩm tuyệt đối là lợng hơi nớc có
trong một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối lợng khí (đợc biểu diễn bằng
g/m
3
khí hoặc g/kg khí). Độ ẩm tơng đối là tỷ số giữa khối lợng hơi nớc có
trong khí và khối lợng hơi nớc tối đa có thể có trong khí ở điều kiện bão hoà
(đợc biểu diễn theo phần trăm hoặc phần đơn vị).
Nếu giảm nhiệt độ khí bão hoà hơi nớc còn áp suất không đổi thì một
sở coi nớc ngng tụ là pha lỏng. Tuy nhiên ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tạo
hydrat của khí, pha "ngng tụ" không phải là pha lỏng mà là pha rắn đợc gọi
là hydrat.
Trạng thái chuyển tiếp từ lỏng thành hydrat gọi là trạng thái lỏng cha
ổn định "metastable". Đờng hàm ẩm cân bằng của khí - hydrat sẽ nằm phía
dới đờng cân bằng khí - metastable (hình H.3).
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
11
§å ¸n tèt nghiÖp SV: NguyÔn Anh TuÊn
TÝnh to¸n thiÕt kÕ c«ng nghÖ sÊy khÝ b»ng oxit nh«m
12
§å ¸n tèt nghiÖp SV: NguyÔn Anh TuÊn
H×nh H.2: Hµm lîng Èm cña khÝ tù nhiªn kh« ngät
TÝnh to¸n thiÕt kÕ c«ng nghÖ sÊy khÝ b»ng oxit nh«m
13
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
Trên hình (H.3) biểu diễn hàm ẩm của hỗn hợp khí chứa 94,69%CH
4
và 5,31% C
3
H
8
. Sự hình thành hydrat phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thành phần
hỗn hợp khí, sự có mặt của các chất tạo mầm, nhiệt độ, áp suất, mức độ
khuấy trộn
Do hàm ẩm của khí phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hỗn hợp khí,
các số liệu đa ra trên hình (H.3) chỉ là minh hoạ nên không thể ngoại suy
cho các hỗn hợp khí có thành phần khác.
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
14
0
. Ô mạng cơ sở chứa 136 phân tử nớc với cấu trúc trục chứa 16 lỗ
tống nhỏ dạng 12 mặt và 8 lỗ trống lớn dạng 12 mặt (có 4 mặt 6 cạnh và
12 mặt 5 cạnh). Dạng cấu trúc này có thể bẫy đợc các phân tử lớn nh
propan, n-butan, izo-butan.
Ngoài yếu tố kích thớc phân tử, yếu tố thứ hai có ảnh hởng đến sự hình
thành hydrat là tính hoà tan trong nớc của các hydro cacbon. Sự có mặt của
các tạp chất nh H
2
S, CO
2
, N
2
có ảnh hởng đáng kể đến sự tạo thành hydrat.
Sự tạo thành hydrat còn phụ thuộc các dạng năng lợng nh lực hút, lực
đẩy, lực quay, lực liên kết ở trạng thái cân bằng. Khi một tinh thể hydrat đợc
hình thành thì cấu trúc liên kết hydro sẽ không bị phá vỡ cho đến khi mất cân
bằng lực liên kết hydro bị giảm đi và liên kết đó bị bẻ gãy.
Ngời ta đã xác định đợc một số tinh thể hydrat điển hình: CH
4
. 5,9H
2
O;
C
2
H
6
. 8,2H
2
O; H
Hỗn hợp khí tự nhiên dễ tạo thành hydrat hơn các cấu tử tinh khiết vì
có khả năng bị bẫy trong cả ba dạng lỗ trống kể trên do đó mạng lới tinh thể
hydrat ổn định hơn. Nh vậy, hỗn hợp các phân tử có kích thớc khác nhau
thuận lợi cho sự hình thành hydrat.
Các tinh thể hydrat riêng biệt tạo thành trong nớc ở trạng thái lỏng. Chỉ
trong điều kiện pha lỏng mới có đủ nồng độ và mức năng lợng cần thiết để
tạo thành liên kết hydro. Những tinh thể hydrat này rất nhỏ nhng chúng có
thể phát triển lên thành những tinh thể lớn hơn.
I.3.4.2. Cân bằng quá trình tạo hydrat.
Trên hình (H.5) là các đờng cong đặc trng của quá trình tạo hydrat của
các cấu tử khí tự nhiên, nó cho biết điều kiện hình thành tạo hydrat. Miền
phía dới và bên phải các đờng này không tạo thành các hydrat. ở giá trị nhiệt
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
16
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
độ nào đấy đờng cân bằng trở thành thẳng đứng, giá trị nhiệt độ có đợc gọi là
nhiệt độ cực đại của quá trình tạo hydrat của các cấu tử đó.
Trên hình (H.6) ta xét điều kiện tạo hydrat của propan ở T
0
< 0
0
C
(32
0
F): tồn tại cả hai dạng nớc đá và hydrat ở phía trên đờng cong cân bằng,
còn ở phía dới đờng cong chỉ có nớc đá và hơi.
ở T
0
>
Trong hấp phụ vật lí thì lực hấp phụ là lực Vander Waals và nó là một quá
trình thuận nghịch hoàn toàn.
Trong thực tế, các loại hấp phụ có thể xảy ra đồng thời và tuỳ theo điều
kiện thực hiện quá trình mà hấp phụ loại này có thể chiếm u thế hơn loại kia.
I.4.2. Chất hấp phụ.
I.4.2.1. Đặc chng của chất hấp phụ.
Chất hấp phụ là những chất vật liệu rắn dạng hạt có cấu trúc xốp và
diện tích bề mặt riêng lớn.
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
18
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
Đặc trng cơ bản của chất hấp phụ là hoạt độ (hoạt độ tĩnh và hoạt độ
động). Chất hấp phụ đợc chia làm ba loại:
Loại I: Chất hấp phụ có mao quản rất nhỏ, kích thớc của mao quản có
thể gần bằng kích thớc phân tử của chất bị hấp phụ (microposity) nh các
zeolit, than hoạt tính, vật liệu khoáng sét và nhiều chất ma xúc tác đờng
kính mao quản là d < 2nm.
Loại II: Chất hấp phụ có mao quản trung bình (mesoporosity) có đờng
kính mao quản trong khoảng 2nm < d < 50nm.
Loại III: Chất hấp phụ có mao quản lớn (macroposity) đờng kính mao
quản là d > 50nm
Trong công nghiệp sấy khí ngời tta thờng dùng các chất hấp phụ là
than hoạt tính, Silicagen, oxyt nhôm, zeolit. Các đại lợng đặc trng của chúng
(Xem ở bảng I.2).
Bảng I.2. Các đại lợng đặc trng của các chất hấp phụ.
Đại lợng đặc trng Silicagel
Oxit
nhôm
hoạt tính
Boxit
- Al
2
O
3
a. Ôxit nhôm.
Ôxit nhôm đợc điều chế bằng cách đem nung hydroxit nhôm, tuỳ thuộc
vào nhiệt độ tiến hành mà ta có các dạng oxit nhôm khác nhau. (Sơ đồ I).
Al
2
O
3
tồn tại dới một số dạng thù hình tinh thể bền nhất là các dạng
() hình thoi và dạng () hình lập phơng. - Al
2
O
3
có trong tự nhiên dới
dạng khoáng vật corunđum, hồng ngọc, ngọc bích. - Al
2
O
3
tạo thành khi
nung nóng hydroxit nhôm ở 550
0
C.
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
19
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
Sơ đồ I: Sự phân huỷ nhiệt của hydroxit nhôm
3
a
l
2
o
3
-
0
200 C
0
180 C
0
450 C
-
a
l
2
o
3
Bemit
Bayerit
Norrdstrandit
Diaspor
450 C
0
450 C
0
-
20
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
Bảng I.3. Tính chất vật lí của oxit nhôm hoạt tính.
Chất hấp phụ và
ứng dụng của nó
Hình
dạng
hạt
Kích thớc hạt;
mm
Độ xốp bên
trong của
hạt x, %
Độ xốp
của lớp
, %
Khối lợng
riêng xốp
x'
kg/m
3
Đờng kính
mao quản
A
0
Diện tích
bề mặt hấp
phụ m
2
- 45 720 64 360 0,20
(2)
C
0,1ữ0,04
- 35 770 - 400; 310 -
C
6ữ3,4
- - 880 - 350 0,2
(2)
Chú thích: H - dạng hạt; T - dạng hình trụ; V - dạng viên dẹt ; C - dạng hình cầu ;
(2) Theo nớc, độ ẩm tơng đối 100%.
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
21
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
Tính chất hoá học bề mặt oxit nhôm liên quan trực tiếp đến tính hấp
phụ và tính xúc tác của nó. Do phụ thuộc vào nhiệt độ, oxit nhôm có thể hấp
phụ nớc ở dạng ion OH
-
hoặc phân tử nớc. Khi tiếp xúc với nớc ở nhiệt độ th-
ờng, oxit nhôm hấp phụ nớc ở dạng phân tử không phân ly.
b. Ôxit nhôm dạng
- Al
2
O
3
.
Dạng - Al
2
O
0
; C = 7,82 ữ 7,92 A
0
.
Ngoài ra trên bề mặt của -Al
2
O
3
tồn tại hai loại tâm axit, tâm axit
Lewis có khả năng tiếp nhận điện tử từ phân tử chất hấp phụ, còn tâm axit
Bronsted có khả năng nhờng proton cho phân tử chất hấp phụ.
Do - Al
2
O
3
có bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp và hình dáng kích thớc
mao quản lớn nên nó có khả năng hấp phụ hơi nớc trong khí tự nhiên và
khí đồng hành tốt hơn các oxit nhôm dạng - Al
2
O
3
và - Al
2
O
3
. Khi
dùng - Al
2
O
3
Trong trờng hợp chung, các yếu tố ảnh hởng lên quá trình hấp phụ
là áp suất và nhiệt độ. Nếu giữ nhiệt độ không đổi thì nồng độ chất bị
hấp phụ trong pha khí tỷ lệ với áp suất riêng phần của nó trong hỗn hợp,
do đó phơng trình nồng độ cân bằng có dạng sau:
X
= f (P) (I.4)
Trong đó :
P - áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí,
mmHg.
I.4.4. Hoạt độ hấp phụ
Hoạt độ hấp phụ là đặc trng cơ bản của chất hấp phụ có hai loại hoạt
độ.
Hoạt độ tĩnh đợc đặc trng bởi lợng tối đa chất bị hấp phụ do một đơn vị
thể tích hay một đơn vị khối lợng chất hấp phụ hút đợc ở một nhiệt độ và
nồng độ nhất định của chất bị hấp phụ có trong pha khí (hơi) cho đến khi đạt
tới cân bằng.
Hoạt độ động đợc đặc trng bởi lợng tối đa chất lợng chất bị hấp phụ do
một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lợng chất hấp phụ hút đợc trong
khoảng thời gian tính từ khi bắt đầu hấp phụ cho đến khi xuất hiện chất bị
hấp phụ trong pha khí đi ra.
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
23
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
I.4.5. Các thuyết hấp phụ.
Để giải thích hiện tợng và quá trình hấp phụ ngời ta đa ra rất nhiều thuyết
hấp phụ, nhng phổ biến hơn cả là thuyết hấp phụ hoá học của Lang muir và
thuyết hấp phụ của Brunauer - Emmelt - Teller (gọi tắt là BET)
I.4.5.1. Thuyết hấp phụ Lang muir.
Thuyết này giải thích nguyên nhân hấp phụ là do phân tử hay nguyên
toán.
Tuy nhiên phơng trình (I.5) không áp dụng đợc đối với trờng hợp hấp
phụ đa phân tử.
I.4.5.2. Thuyết hấp phụ BET.
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
24
Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn
Thuyết này đợc thiết lập trên cơ sở giả thiết bề mặt chất hấp phụ là
đồng nhất và sự hấp phụ xảy ra trên nhiều lớp trong đó mỗi tiểu phân bị hấp
phụ ở lớp thứ nhất trở thành trung tâm hấp phụ đối với các tiểu phân ở lớp thứ
hai, mỗi tiểu phân bị hấp phụ ở lớp thứ hai trở thành trung tâm hấp phụ đối
với các tiểu phân lớp thứ ba
Hình H.9. Mô hình hấp phụ vật lí nhiều lớp theo lí thuyết BET
Các đờng hấp phụ đẳng nhiệt thờng có 5 dạng điển hình nh đợc biểu
diễn trên hình (H.10).
Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
25
Copyright: Tài liệu đại học ©